1.4. Аналитические методы исследования поверхности

В последующей части настоящей книги основные методы иссле­дования детальных свойств поверхностей излагаются таким обра­зом, что для каждого метода выделяется небольшое число харак­терных признаков, по которым можно производить выбор метода для конкретного применения.

В общем случае исследования поверх­ностей нас обычно интересуют струк­тураповерхности, еехимиче­ский состави некоторая информация обэлектронной структуре в виде определения химического состояния адсорбирован­ных ато­мов или молекул, определения поверхностной зонной структуры или плотно­сти энергии электронных состояний. В приведенном втабл.1.2списке основных методов, обсуждаемых в настоящей кни­ге, даются некоторые указания о типе информации, получаемой с помощью каждого метода.

Таблица 1.2.Информационные характеристики основных методов исследования по­верхности
Метод	Структура	Состав	Электронная структура или химическое со­стояние
Дифракция медленных элек­тронов (ДМЭ)		+
Дифракция (отраженных) быстрых электронов (ДОБЭ)		+
Рентгеновская фотоэлектрон­ная спектроскопия (РФЭС)	(+)	+	+
Развитая тонкая структура края поглощения рентге­новских лучей поверхнос­тью (SEXAFS)	+	(+)
Электронная оже-спектроскопия (ЭОС)		+	+
Спектроскопия потенциала появления (СПП)		+	+
Спектроскопия ионизацион­ных потерь (СИП)		4-	+
Ультрафиолетовая фотоэлек­тронная спектроскопия (УФЭС)	(+)	(+)	+
Ионно-нейтрализационная спектроскопия (ИНС)			+
Спектроскопия рассеянных медленных ионов (СРМИ)	+	+
Спектроскопия рассеянных быстрых ионов (СРБИ)	+	+
Вторично-ионная масс-спектроскопия (ВИМС)		+
Температурно-программируемая десорбция (ТПД)		+	(+)
Электронно- и фотонно-стимулированная десорбция (ЭСД и ФСД)	+	(+)	(+)
Полевая эмиссионная микро­скопия (ПЭМ)			+
Полевая ионная микроскопия (ПИМ)	+
Методы измерения работы выхода			+
Рассеяние молекулярных пучков (РМП)	+	+
Отраженно-адсорбционная ИК-спектроскопия (ОАИКС)	+	+	. (+)
Спектроскопия характеристи­ческих потерь энергии электронов высокого разрешения .(СХПЭЭВР)	+	+	(+)
Отметки в виде плюса без скобок пока­зывают, что данный вид информации действительно извлекается из эксперимента, тогда как плюсы в скобках указывают на потенци­ально возможное или редкое, и только в специализированном ре­жиме, исполь­зование метода для данного вида измерений.

Ясно, что отдельные методы часто дают информацию более чем по од­ной из трех перечисленных областей и объем этой информации зна­чительно варьируется. Один из выводов, который можно сделать при изучении поверх­ностей этими методами, заключается в том, что использование только одного из перечисленных методов часто неудовлетворитель­но. По крайней мере обычно необходима хотя бы ограниченная ин­формация одновременно по каждой из трех областей: структуре, составу и электронному состоянию. По этой причине в большин­стве исследований используются несколько экспериментальных ме­тодик в одной камере, и именно такой многометодный подход сильно выигрывает от разработки СВВ-камер из не­р­жа­веющей ста­ли с перемонтируемыми фланцами. При исследовании хорошо опре­деленных поверхностей, по-видимому, правильно будет заключить. что двумя наи­более общими методами, сопутствующими исследо­ваниям с помощью других мето­дов, являются дифракция медлен­ных электронов (ДМЭ) и электронная оже-спек­тро­скопия (ЭОС). ДМЭ обеспечивает простое и удобное описание дальнего порядке на поверхности, тогда как ЭОС дает некоторые указания о химиче­ском составе и, в частности, характеризует чистоту поверхности. Кроме того, оба метода можно осу­ще­ствить на одном и том же оборудовании [оптика ДМЭ и анализатор с задер­жи­вающим полем (АЗП)], хотя такая конфигурация далека от совершенства. Широкое применение стандартных методов описания поверхности, таких как ДМЭ и ЭОС, значительно увеличило наши возможности в сопо­ставлении результатов исследова­ний определенных адсорбционных систем, полученных с помощью различных мето­дов в разных лабо­раториях. Конечно, применение этих двух (или любых других) до­полняющих друг друга методов не позволяет полностью характери­зовать поверх­ность. Дифракционная картина ДМЭ выявляет основную периодичность упорядо­чен­ного компонента структуры поверхности, но для более полного определенияэтой структуры, тоесть для установления степени упорядоче­ния или относительных положений атомов на поверхности необходим существенно боль­ший объем исследо­ваний. Однако имеется большая вероятность то­го, что два экспериментатора, оба занимающиеся адсорбцией веще­ства А на В с целью получе­ния поверхности, обла­да­ющей опреде­ленной периодичностью при определенном максимальном уровне загрязнения, как показывает ЭОС, имеют дело, по существу, с од­ной и той же повер­х­ностью. Для более подробного сравнения раз­личных методов исследования необхо­димо рассмотреть специаль­ные характеристики методов. В од­ном из методов может преобла­дать сигнал от примесей, имеющих низкую концен­трацию на поверхности, тогда как в другом измеряются гораздо более «усред­нен­ные» свойства. В последую­щих главах мы пытаемся определить такие отличитель­ные черты и провести некоторые сравнения.

Последнее замечание относится к применению рассматриваемых методов к «техническим поверхностям», то есть к изучению поверхно­стей поликристалличес­ких материалов, обычно подвергаемых обра­ботке высоким давлением или влажной химической обработке, по­сле чего они загружаются в вакуумную камеру и изучают­ся без предварительной очистки. Часто представляет интерес получение профилей распределения концентраций для таких поверхностей при изучении приповерхност­ных и поверхностных слоев. Большинство методов, представленных в табл.1.2,мало применимо к таким по­верхностям, но некоторые из них оказались очень ценными. В част­ности, как ЭОС, так и рентгеновская фотоэлектронная спектроско­пия (РФЭС) широко применялись для определения поверхностного и приповерхностного состава и (особенно РФЭС) химического со­стояния. Аналогичным образом использовались вторично-ионная масс-спектроскопия (ВИМС) и рассеяние медленных ионов (РМИ), хотя ВИМС находит наибольшее применение при профильном ана­лизе относительно толстых пленок. Все перечисленные методы ис­пользуются в первую очередь для определения состава и не дают никакой информации о структуре.

До сих пор этими методами не проводились структурные исследования технических поверхностей, хотя для таких задач изучение развитой тонкой структуры края по­глощения рентге­новских лучей поверхностью (SEXAFS)может быть обнадеживающим. В последую­щем рассмотрении отмечается также ряд достоинств перечисленных методов, делающих их при­годными для изучения технических поверхностей.

СОКРАЩЕНИЯ

AEAPS – ЭОСПП электронная оже-спектроскопия потенциала по­ явления

AES– ЭОС электронная оже-спектроскопия

APS– СПП спектроскопия потенциала появления

ARUPS – УРУФЭС ультрафиолетовая фотоэлектронная спектро­скопия с угловым разрешением

CHA – ПСА концентрический полусферический анализатор

CMA – АЦЗ анализатор типа «цилиндрическое зеркало»

CPD– КРП контактная разность потенциалов

DAPS –СПИ спектроскопия потенциала исчезновения

AEPFS – РТССПП развитая тонкая структура спектроскопии по­тенциала появления

ESD– ЭСД электронно-стимулированная десорбция

ESDIAD – ЭСДУРИ электронно-стимулированная десорбция с угловым распреде­лением ионов

EXAFS – развитая тонкая структура края поглощения рентгенов­ских лучей*⁾

SEXAFS – развитая тонкая структура края поглощения рентгенов­ских лучей поверхностью*⁾

EXELFS – СРТСПЭЭ спектроскопия развитой тонкой структуры потерь энергии электронов

FEM –ПЭМ полевая эмиссионная микроскопия

FIM– ПИМ полевая ионная микроскопия

HEIS – РБИ рассеяние быстрых ионов

HREELS – СХПЭЭВР спектроскопия характеристических потерь энергии элек­тронов высокого разрешения

ILS – СИП спектроскопия ионизационных потерь

IMBS – НРМП неупругое рассеяние молекулярных пучков

INS –ИНС ионно-нейтрализационная спектроскопия

IRAS– ОАИКС отраженно-абсорбционная ИК-спектроскопия

LEED– ДМЭ дифракция медленных электронов

LEIS– РМИ рассеяние медленных ионов

МВЕ – МЛЭ молекулярно-лучевая эпитаксия

PSD– ФСД фотонно-стимулированная десорбция

RFA– АЗП анализатор с задерживающим полем

RHEED– ДОБЭ дифракция (отраженных) быстрых электронов

SIMS– ВИМС вторично-ионная масс-спектроскопия

SXAPS– СППМРИ спектроскопия потенциала появления в мяг­ком рентгенов­ском излучении

TPD– ТПД температурно-программируемая десорбция

UHV– СВВ сверхвысокий вакуум

UPS –УФЭС ультрафиолетовая фотоэлектронная спектро­скопия

XPS– РФЭС рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

*⁾Вследствие громоздкости русских акронимов в периодической русской литера­туре употребляются оригинальные сокращения EXAFS и SEXAFS –Прим перев.

1⁾ Под хорошо определенными поверхностями в этой книге подразумеваются сингулярные, нефасетированные, плоские, бездефектные (почти идеальные) поверх­ности.– Прим. перев.